مزایا و کاربرد باتری گرافن چیست؟ و چگونه ساخته می‌شود؟

باتری‌های گرافن ساختاری مشابه باتری‌های معمولی دارند که از یک محلول الکترولیت و دو الکترود برای فعال کردن انتقال یون و بار تشکیل شده‌اند. اولین تمایز بین باتری های گرافنی و باتری های حالت جامد در ترکیب هر یک از الکترودها است. باوجود اینکه ترکیب کاتد معمولاً تغییر می‌کند، آلوتروپ های کربن نیز می توانند در ساخت آند استفاده شوند.

گرافن یک آلوتروپ کربن مشابه گرافیت، الماس و زغال سنگ است. ساختاری دو بعدی (2 بعدی) و الگوی شش ضلعی به دلیل هندسه آن دارد. این به آن اجازه می دهد تا انعطاف پذیری ساختاری و چندین کیفیت الکتریکی و مکانیکی مطلوب دیگر را داشته باشد.

4

دقیــقه مطالعه

گرافن و کاربردهای آن - Graphene

گرافن و کاربردهای آن – Graphene گرافن نام یکی از آلوتروپ های کربن است. در ...

روش های ساخت باتری‌های گرافنی

گرافن در باتری‌ها در درجه اول به عنوان یک الکترود انعطاف پذیر استفاده می‌شود. در حال حاضر چهار روش تولید کلیدی برای تولید گرافن استفاده می‌شود: لایه‌برداری اکسید گرافیت، روش اصلاح‌شده هامرز، رشد اپیتاکسیال و رسوب بخار شیمیایی.

1- روش هامرز و اکسید گرافیت لایه برداری شده

(Hummers’ Method and Exfoliated Graphite Oxide)

روش هامرز معمولا برای تولید گرافن استفاده می شود. در این فرآیند، KMnO4 و NaNO3 در H2SO4 غلیظ برای اکسیداسیون موثر حل می‌شوند و باعث می‌شوند که لایه‌های گرافن از اکسید گرافیت خراشیده شوند. روش های متعددی برای تغییر روش هامرز بسته به نیاز وجود دارد.

2- رسوب بخار شیمیایی

رسوب بخار شیمیایی (CVD) به منزله گرم کردن کربن به بخار و/یا کاهش فشار اتمسفر برای پوشش دادن یک بستر است. فلز به عنوان بستری برای عمل به عنوان کاتالیزور در رشد گرافن استفاده می شود. این فرآیند شامل سه مرحله کلیدی است:

• (A) انتشار کربن در لایه فلزی
• (B) خنک کردن لایه فلزی نازک برای جدا کردن کربن از آن به دلیل کاهش حلالیت،
• (C) تولید سطح لایه‌های گرافن.

روش دیگری به نام رسوب دهی بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما (PECVD) در مقایسه با CVD دارای مزایایی مانند رشد مستقیم روی نانوساختارها یا یک بستر پلاستیکی است.

3- رشد اپیتاکسیدال (Epitaxial Growth)

تولید لایه‌های گرافن در مقیاس بزرگ را می‌توان با استفاده از رشد اپیتاکسیال به عنوان یک روش میکروساخت تولید کرد. Epitaxy به دلیل محتوای کربن و انعطاف پذیری خود از SiC به عنوان یک بستر عایق استفاده می کند تا کربن (گرافن) پس از حذف یا ذوب سیلیکون حفظ شود. با این حال، دستیابی به ضخامت یکنواخت در یک منطقه بزرگتر، علاوه بر این که خواص الکترونیکی لایه های گرافن ساخته شده تحت تأثیر پیوند زیرلایه قرار می گیرد، هنوز دشوار است. این معایب را می توان با استفاده از بسترهای مختلف از بین برد.

تفاوت های ساختاری بین گرافن و باتری های تجاری

باتری های معمولی معمولا از لیتیوم و روی به عنوان مواد الکترود استفاده می‌کنند. با این حال، به دلیل چگالی بار بالاتر، طول عمر کمتری دارند. آند معمولاً با استفاده از اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) یا از فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) در باتری‌های جدیدتر ساخته می‌شود.

از سوی دیگر، گرافن یک ورقه اتم کربن دوبعدی در ساختار شش ضلعی و چینش شبکه‌ای لانه زنبوری است. این ساختار نتیجه هیبریداسیون sp2 اتم های کربن است که یک هندسه مسطح مثلثی ایجاد می‌کند. در اینجا، اتم‌های کربن منفرد با سه اتم دیگر مرتبط هستند. این ساختار دو بعدی، همراه با الگوی شش ضلعی و هندسه آن، انعطاف ساختاری را برای گرافن فراهم می‌کند.

مزایای باتری گرافنی

باتری گرافن برخلاف LiB های سنتی، بادوام، سبک و مناسب برای ذخیره انرژی با ظرفیت بالا، همراه با کاهش زمان شارژ است. LiBs (و سایر انواع باتری های قابل شارژ) را نیز می توان با ترکیب گرافن در آند باتری بهبود بخشید تا عملکرد آن بالا رفته و از لحاظ مورفولوژیکی بهینه شود.

 آینده باتری‌های گرافن

از آنجایی که LiB ها به حداکثر بازده نظری خود نزدیک می‌شوند، باتری های گرافنی نیز می توانند در آینده در صنایع باتری های الکترونیکی قابل حمل پرکاربرد شوند. با پیاده سازی باتری‌های گرافنی، ممکن است معایب LiB ها که مانع از صنعتی شدن باتری می‌شود، کنار برود. علاوه بر این، پایین بودن محدودیت های تکنولوژیکی و زیست محیطی باتری های گرافنی نیز حاکی از صنعتی شدن از باتری در آینده خواهد بود.

با توجه به افزایش ظرفیت شارژ و دمای پایدار، باتری‌های گرافن می‌توانند به وسایل نقلیه الکتریکی امکان تجاری بیشتری پیدا کنند. علاوه بر این، باتری‌های گرافن ممکن است در آینده در ایمپلنت‌های زیست پزشکی یا دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت (IMD) نیز کاربرد داشته باشند. طبق تحقیقی که اخیرا انجام شده، یک باتری تمام گرافن ساخته شد که چگالی توان بالا قابل توجهی را نشان داد زیرا هم کاتد و هم آند واکنش‌های سطحی سریع‌تری همراه با افزایش رسانایی الکتریکی و مورفولوژی متخلخل نشان دادند.

جمع بندی

از آنجایی که این کشف نسبتا جدید است، مطالعات برای یافتن راهی برای تولید تجاری گرافن ادامه دارد. سامسونگ باتری «توپ گرافن» را توسعه داده است و فرآیند تولید مرتبط، کاربرد تجاری بالقوه این فناوری را نشان می‌دهد. با این حال، خواص گرافن هنوز به طور کامل درک نشده است. در حال حاضر، تحقیقات ثابت کرده است که استفاده از باتری‌های گرافن می‌تواند یک راه‌حل سازگار با محیط زیست و از نظر اقتصادی پایدار برای LiB‌های امروزی ارائه کند.

منبع: https://www.azom.com/